Évaluation de la performance des géocomposites bentonitiques comme barrière aux fluides dans un contexte de recouvrement minier

Les deux principaux types de rejets solides générés par l'industrie minière sont les stériles miniers et les résidus miniers (aussi appelés rejets de concentrateur). Ces rejets peuvent contenir des minéraux sulfureux et s'ils sont entreposés en surface et exposés à l'air et à l'eau, ils ont le potentiel de produire du drainage minier acide (DMA). Ce dernier est caractérisé par un pH <6 et un contenu en métaux dissous et en sulfates élevé (Aubertin et al., 2002; Blowes et al., 2014). Une méthode de restauration éprouvée pour limiter la production de DMA, tant pour les sites miniers en exploitation que ceux abandonnés, consiste à recouvrir les rejets sulfureux de matériaux limitant l'infiltration d'eau et/ou d'oxygène (Aubertin et al., 2002; INAP, 2012). Le géocomposite bentonitique (GCB) est un matériau de plus en plus considéré comme couche de faible conductivité hydraulique au sein de recouvrement de sites minier. Il s'agit d'un matériau usiné d'environ 1 cm d'épaisseur fait de bentonite (argile gonflante) encapsulée entre 2 géotextiles. La performance de GCB dans des recouvrements miniers et, plus particulièrement, en climat froid (i.e, soumis à des cycles de gel-dégel), est cependant peu documentée, bien que des risques de performance moindre qu'attendu aient été identifiés dans ce contexte d'utilisation. Le présent projet de recherche vise donc évaluer en laboratoire la performance d'un GCB comme barrière aux fluides responsables du DMA, dans un contexte de recouvrement minier. Dans le cadre de cette étude, des essais ont été réalisés sur un GCB conventionnel (GCB non tissé et renforcé (SRNW)). Les essais en laboratoire ont été divisés en deux volets : la caractérisation du GCB utilisé et, plus particulièrement, de la bentonite qu'il contient, puis l'étude des propriétés hydrauliques et diffusives d'échantillons de GCB hydratés à l'eau ou au drainage minier acide synthétique (DMAS). Les propriétés hydrauliques et diffusives évaluées étaient la conductivité hydraulique saturée avant et après des cycles de gel-dégel, la courbe de rétention d'eau (CRE) et le coefficient de diffusion effectif de l'oxygène (De), tant pour une hydratation à l'eau déionisée (DI) qu'au DMAS. L'évolution de la qualité du DMAS percolant au travers des échantillons de GCB a également été suivie en cours d'essais de perméabilité. Des analyses minéralogiques ont été réalisées sur les échantillons saturés afin de documenter l'impact chimique et minéralogique d'une perméation au DMAS sur la bentonite. Les résultats ont indiqué que sous de faibles pressions de confinement, similaires à celles exercées par un recouvrement minier, la conductivité hydraulique saturée des échantillons de GCB hydratésau DMAS était d'environ 10-8 cm/s, soit un ordre de grandeur de moins que celle d'échantillons hydratés à l'eau DI. Une différence d'un ordre de grandeur additionnel a été observée pour un échantillon soumis à des cycles de gel-dégel (10-7 cm/s), tandis qu'une augmentation de deux ordres de grandeur (10-6 cm/s) a été mesurée pour un échantillon soumis à des cycles de gel-dégel et une désaturation occasionnelle. Cette diminution de performance a été attribuée à la formation de fissures dans la bentonite lors du gel ou du séchage des échantillons, qui n'étaient pas réparées lors d'hydratation subséquences dû à une diminution du pouvoir gonflant de la bentonite causée par la perméation au DMAS. Les résultats des analyses chimiques, électrochimiques et minéralogiques ont également indiqué que les étapes typiques de neutralisation d'un DMAS avec faible pH et concentration élevée en sulfate et en fer ont été suivies en cours de perméation. Les essais ont toutefois été interrompus à des pH de 3,2 et 3,5, sans qu'un équilibre chimique n'ait été atteint. Des CRE similaires ont été obtenues pour les échantillons hydratés à l'eau DI et au DMAS. Les résultats indiquent que d'importantes forces de succion doivent être appliquées (0,1 à 0,45 MPa) afin de désaturer un GCB initialement bien hydraté. Les valeurs de De n'ont pour leur part pas été impactées par la nature du liquide hydratant utilisé. Les valeurs obtenues de 2,1 x 10-9 m²/s à 1,6 x 10-8 m²/s, pour des Sr de 88 à 94 %, correspondent à celles estimées par le modèle d'Aachib et al. (2004). Toutefois, puisque les GCB saturés au DMAS étaient tous plus minces que ceux hydratés à l'eau DI, le flux diffusif au travers du GCB devrait être moindre dans le cas d'une hydratation au DMAS, pour un même De. Sur la base de ces résultats, il a été conclu que dans des conditions de laboratoires contrôlées, et pour le GCB et le DMAS utilisé, l'hydratation au DMAS sous de faibles pressions de confinement a affecté négativement la performance du GCB comme barrière à l'eau et à l'oxygène.À la suite de ces travaux de recherche, il est recommandé de réaliser des essais de laboratoire complémentaires afin de déterminer la conductivité hydraulique saturée du GCB lorsque l'équilibre chimique est atteint, et de documenter la formation et la réparation des fissures se développant lors du gel et du séchage des échantillons. Il est également suggéré de réaliser des essais de perméabilité à très long terme sur des GCB traités aux polymères (résistance chimique accrue) afin de comparer les résultats obtenus à ceux de GCB conventionnels. Finalement, il est recommandé de poursuivre les travaux de recherche à l'échelle du terrain, afin de valider les degrés de saturation pouvant être atteints sur le terrain et l'influence des sols adjacents au GCB sur la qualité de l'hydratation.

Abstract

The two main types of mine waste generated by the mining industry are waste rocks and tailings. Both types of wastes may contain sulphide minerals and when they are stored on the surface and exposed to oxygen and water, they have the potential to generate acid mine drainage (AMD). The latter is characterized by a pH <6, elevated level of dissolved heavy metals and high sulfate contents (Aubertin et al., 2002; Blowes et al., 2014). A proven reclamation method to mitigate AMD production is the construction of engineered multilayered covers over the mine wastes to prevent the infiltration of water and / or oxygen (Aubertin et al., 2002; INAP, 2012). Presently, geosynthetic clay liners (GCLs) are increasingly being considered as low saturated hydraulic conductivity materials as part of engineered covers. A GCL is manufactured in thin sheets (5-10 mm) that consist of a layer of bentonite interlaid between two geotextiles. Although literature on the properties of GCLs in a mining context are more frequent, research gaps still exist, particularly with respect to the application of GCLs in mine waste covers in cold climates (exposed to freeze-thaw cycles). The main objective of this research projet is to assess in the laboratory the performance of a GCL as a fluid barrier in the context of an engineered mine cover installed over acid-generating mine wastes. As part of this study, tests were performed on a conventional GCL (geosynthetic clay liner with non-woven and scrim-reinforced geotextiles). Laboratory experiments were divided into two parts: the laboratory characterization of the GCL used and more particularly, the bentonite it contains, then the determination of the hydraulic and diffusive properties of GCB samples hydrated with deionized water (DIW) or with a synthetic acid mine drainage (SAMD). The hydraulic and diffusive properties evaluated were the saturated hydraulic conductivity before and after freeze-thaw cycles, the water retention curve (WRC) and the effective diffusion coefficient (De) at high saturation value (Sr), both for permeation with DIW and SAMD. The evolution of the quality of the percolating SAMD through the GCL samples was also monitored during the permeability tests, as well as mineralogical composition of the bentonite after permeation.The results indicated that under low-pressure conditions, similar to those encountered in a mine cover, the saturated hydraulic conductivity of samples permeated with SAMD was approximately 10-8 cm/s, which is an order of magnitude higher than for samples permeated with DIW. An additional order of magnitude of difference was observed (10-7 cm/s) for a sample subjected to freeze-thaw cycles (FTCs), while an increase of two orders of magnitude (10-6 cm/s) was measured for the sample subjected occasional desaturation after a series of FTCs. This decrease in performance was attributed to the formation of cracks during the frost or the drying phase that did not self-healed during the subsequent permeation, due to the loss of swelling capacity induced by SAMD. The results of the chemical, electrochemical and mineralogical analyses also indicated that the SAMD followed the typical pH-buffering sequence associated with geochemical reactions observed during the neutralization of AMD with low pH and high Fe and SO42- concentrations. The permeability tests were ended at pH of 3,2 et 3,5, before chemical equilibrium could be reached.Similar WRCs were obtained for GCL hydrated with DIW and DMAS. In both cases, the WRC indicates that large suction must be applied (0.1 to 0.45 MPa) to desaturate an initially well-hydrated GCL. The De values did not vary according to the permeating liquid and led to values of 2.1 x 10-9 m²/s to 1.6 x 10-8 m²/s, for Sr of 88 at 94%. These values correspond to those estimated by the Aachib et al. (2004) model. However, since GCLs permeated with SAMD were all thinner than those permeated with DIW, it is expected that the diffusive flux through the GCL would be higher in the case a permeation with SAMD, for a same De value. Based on these results, it was concluded that under controlled laboratory conditions, and for GCL and SMAD used in this study, permeation with SAMD under low-pressure conditions negatively affected the performance of the GCL as a barrier to water and oxygen.Based on this research, it is recommended to conduct additional laboratory tests to determine the long-term saturated hydraulic conductivity (upon reaching a chemical equilibrium) of the GCL under study and further document the formation and repair of cracks that form during freezing and drying. It is also suggested to carry out long-term permeability tests on polymer-modified GCL (treated to enhance the chemical resistance of the bentonite) in order to compare the obtained results with those of conventional GCL. Finally, it is recommended to construct field experimental cells to validate the degree of saturation that can be achieved in the field and the influence of the soil layers adjacent to GCL on the quality of the hydration.